具有防雾、防霜、防污以及湿气自清洁性能的仿生高透膜

作     者：冯晨晨 

作者单位：陕西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李娟

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：阳极氧化铝 聚合物膜 减反 防雾 湿气自清洁 

摘      要：光学材料表面的反射不仅会造成眩光和重影,严重影响诸如透镜、激光器、显示器等的显示效果,还会降低光学系统中的光通量以及其表面的透射率,从而影响成像的清晰度和对比度。因此,光学材料表面的减反成为亟待解决的问题。传统的抗反射膜多采用由层层(LbL)组装的纳米颗粒或喷涂纳米颗粒(如二氧化硅、二氧化钛)组成的多孔结构。多孔结构由于每层纳米多孔都有不同的孔隙度,导致折射率从基体到空气层逐渐下降。但是,纳米颗粒薄膜暴露在空气中时,由于结构的改变,其性能很容易降低。众所周知,聚合物膜具有化学稳定性好、成本低、易加工、快速等优点,是取代纳米颗粒薄膜的理想材料。所以到目前,利用LbL组装技术在光学材料表面制备具有抗反射聚合物膜已成为研究的热点。但是由于层间存在机械力不稳定和热失配等问题,其很容易从玻璃等基底上脱落。另一方面,除了反射,雾、霜和污染物也是影响光学元件光吸收率和成像质量的主要因素。雾会在光学材料表面形成小液滴,增强其表面的反射,从而显著降低其表面的清晰度,给日常生活带来不便和潜在的危险。而且在低温潮湿的环境中,雾会结冰成霜,完全阻止光通过表面。现代工业与城市建设的高度发展导致空气污染,其中大量存在的粉尘粒子在潮湿环境中和静电作用下,很容易在固体材料表面附着。粉尘污染不仅严重影响城市面貌,并且削弱光电器件对太阳能的高效利用。传统的采用表面活性剂的清洗方法不仅耗费大量的人力、财力和物力,加重生态环境污染,而且需要反复进行,治理效果却并不显著。大自然利用其复杂而精准的结构设计解决了上述问题。纳米仿生研究发现,某些昆虫,如蛾、蝉等,其复眼或翅膀表面具有的三维渐变纳米锥形阵列结构是一种非常高效的抗反射结构,由于其折射率从空气到本体材料连续渐变,能够对入射光进行调制,从而有效抑制反射。仿生纳米锥形结构表面的抗反射性能研究进行了几十年。但是,这种结构表面的其他功能(如防雾、防霜、防污、自清洁)的开发还处于起步阶段。具有上述多功能的透明仿生表面可以同时解决反射、起雾、结霜、污染物这四个主要问题,极大地提高光学或光电元件的光效和利用便利性,具有很高的实用价值。在此,我们研究出了一种实用的方法,以阳极氧化铝为模板,进行预聚物的固化,之后进行二氧化硅以及氟硅烷修饰的办法,以简易低成本工艺在玻璃基底制备出多功能仿生纳米锥形结构表面。基于以上思路,本论文以间距为200nm的氧化铝为模板,在玻璃基底上制备出具有宽谱减反、干式防雾、防霜、防污以及自清洁特性的聚合物膜。其具体的研究结果和内容如下:1.间距为200 nm的纳米锥孔氧化铝的制备,以氧化铝为模板,通过预聚物热聚合的方法,在甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)和3-氨基丙基三乙氧基硅烷(KH550)的共同作用下,在玻璃基材上制备了附着性能优良的三维纳米锥形阵列结构。双面具有该聚合物纳米锥形阵列的样品在波长380-800nm的可见波段内平均透射率为98.9%,同时具有减反、亲水防雾以及防污的特性。2.对玻璃基底上的具有纳米锥形阵列的聚合物膜进行二氧化硅的沉积以及氟硅烷的改性修饰,该薄膜由亲水改性为疏水特性。此时双面具有该仿生聚合物膜的样品在可见波段内平均透射率为98.7%,同时具有减反、干式防雾、防污以及湿气自清洁的特性。